1、飛機雷擊的普遍性與復合材料的挑戰(zhàn)飛機在飛行過程中，尤其是在對流層飛行時，極易遭遇雷電天氣。據統(tǒng)計，平均每架飛機每年可能會遭遇1至2次雷擊。雷電產生的強大電流和高溫，對飛機結構構成嚴重威脅。當雷電擊中飛機時，瞬間釋放的能量可達數十億焦耳，電流峰值可能超過200千安。對于金屬機身的飛機，由于金屬具有良好的導電性，雷擊電流能夠相對均勻地分布在機身表面，通過機身傳導至其他部位，從而減少對局部結構的損害。然而，隨著復合材料在飛機制造中的廣泛應用，雷擊問題變得更加復雜。復合材料因其具有高強度、低密度、良好的耐腐蝕性等優(yōu)點，在飛機結構中的使用比例不斷增加。例如，波音787和空客A350等新型客機，復合材料的使用比例高達50%以上。但是，大多數復合材料的電導率遠低于金屬，這使得它們在遭受雷擊時，無法像金屬那樣迅速傳導電流。雷擊電流集中在雷擊點附近，產生極高的溫度，導致復合材料發(fā)生燒蝕、分層、纖維斷裂等損傷。這些損傷不僅會降低飛機結構的強度，還可能影響飛機的氣動性能，嚴重威脅飛行安全。新西蘭航空公司一架航班在飛往印尼巴厘島的途中遭遇雷擊2、復合材料雷擊損傷的仿真研究為了深入了解復合材料在雷擊下的損傷過程，科研人員開展了大量的研究工作，其中仿真技術發(fā)揮了重要作用。通過建立復合材料雷擊損傷的仿真模型，可以模擬雷擊電流在復合材料中的傳導路徑、溫度分布以及材料的損傷演化過程。以碳纖維增強復合材料（CFRP）為例，在仿真中，首先需要考慮材料的電學、熱學和力學性能參數。當雷擊電流施加到CFRP層合板上時，電流會在纖維和基體之間傳導。由于纖維和基體的電導率不同，電流分布并不均勻，導致局部產生較高的焦耳熱。隨著溫度升高，基體樹脂開始熱解、熔化甚至汽化，形成高溫高壓氣體，這些氣體在材料內部積聚，可能引發(fā)材料分層和纖維斷裂。目前，常用的仿真方法是基于多物理場耦合的有限元分析。在有限元模型中，將復合材料劃分為眾多微小的單元，通過求解麥克斯韋方程組、熱傳導方程和力學平衡方程，來描述電流場、溫度場和應力場的相互作用。例如，在分析含金屬簇絨結構的CFRP層合板雷擊防護性能時，通過建立電-熱耦合模型，研究人員發(fā)現金屬簇絨結構能夠顯著改善復合材料的導電性能，降低雷擊燒蝕面積。仿真結果表明，含金屬簇絨結構的CFRP層合板燒蝕表面積可降低至基準件的8.06%。此外，仿真還能研究不同結構參數（如金屬絲間距、簇絨間距等）對雷擊防護效果的影響，為優(yōu)化防護結構設計提供依據。03Abaqus復合材料雷擊損傷仿真分析接下來，我將具體介紹一下Abaqus復合材料雷擊后的電-熱-力多物理耦合分析過程。當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1電-熱強耦合分析，2考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析。1、電-熱強耦合分析電流流過導體的過程中，所耗散的能量會轉化為熱能，即產生焦耳熱。電場控制方程為：（1）電流流過導體耗散的能量可以通過焦耳定律描述（2）熱流密度可以表示為（3）這里假設耗散的電能全部轉換為熱量，則ηv=1.則熱傳導方程可以用下式描述（4）通過與溫度相關的導電率以及和電流密度相關的熱流密度就可以完成電-熱之間的強耦合分析。美國軍用標準給出了雷電載荷的波形選取電流幅值最大的A段作為初始雷擊進行分析，A段電流可以用下式描述（5）A段電流波形如下建立如圖所示的平板進行電-熱耦合分析可以得到平板中心點處不同時間的溫度分布如圖所示考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析通過電-熱耦合分析得到溫度場后，可以根據溫度場確定雷擊導致的燒蝕區(qū)域。通過USDFLD子程序標記燒蝕的單元，并將其損傷設置為1.然后結合UMAT子程序，采用hashin準則對含初始損傷